Различают три способа сжигания топлива: слоевой, при котором топливо в слое продувается воздухом и сжигается; факельный, когда топливно-воздушная смесь сгорает в факеле во взвешенном состоянии при перемещении по топочной камере, и вихревой (циклонный), при котором топливно-воздушная смесь циркулирует по обтекаемому контуру за счет центробежных сил. Факельный и вихревой способы могут быть объединены в камерный.

Процесс слоевого сжигания твердого топлива происходит в неподвижном или кипящем слое (псевдосжиженном). В неподвижном слое (рис. 2.6, а ) куски топлива не перемещаются относительно решетки, под которую подается необходимый для горения воздух. В кипящем слое (рис. 2.6, б )частицы твердого топлива под действием скоростного напора воздуха интенсивно перемещаются одна относительно другой. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя и начинается возвратно-поступательное движение частиц над решеткой, называется критической . Кипящий слой существует в границах скоростей от начала псевдосжижения до режима пневмотранспорта.

Рис. 2.6. Схемы сжигания топлива: а – в неподвижном слое; б – в кипящем слое; в – факельный прямоточный процесс; г – вихревой процесс; д – структура неподвижного слоя при горении топлива и изменение a, О 2 , СО , СО 2 и t по толщине слоя: 1 – решетка; 2 – шлак; 3 – горящий кокс;
4– топливо; 5 – надслойное пламя

На рис. 2.6, д показана структура неподвижного слоя. Топливо 4, ссыпаемое на горящий кокс, прогревается. Выделяющиеся летучие сгорают, образуя надслойное пламя 5. Максимальная температура (1300 – 1500 °С) наблюдается в области горения коксовых частиц 3.В слое можно выделить две зоны: окислительную, a > 1; восстановительную, a < 1.
В окислительной зоне продуктами реакции горючего и окислителя являются как СО 2 , так и СО . По мере использования воздуха скорость образования СО 2 замедляется, максимальное ее значение достигается при избытке воздуха a = 1. В восстановительной зоне ввиду недостаточного количества кислорода (a < 1) начинается реакция между СО 2 и горящим коксом (углеродом) с образованием СО . Концентрация СО в продуктах сгорания возрастает, а СО 2 уменьшается. Длина зон в зависимости от среднего размера d к частиц топлива следующая: L 1 = (2 – 4) d к ; L 2 = (4 – 6) d к . На длины зон L 1 и L 2 (в сторону их уменьшения) влияют увеличение содержания летучих горючих ,уменьшение зольности А р , рост температуры воздуха.

Поскольку в зоне 2 кроме СО содержатся Н 2 и СН 4 , появление которых связано с выделением летучих, то для их дожигания часть воздуха подается через дутьевые сопла, расположенные над слоем.

В кипящем слое крупные фракции топлива находятся во взвешенном состоянии. Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным. Низкотемпературное (800 – 900 °С) сжигание топлива достигается при размещении в кипящем слое поверхности нагрева котла. В отличие от неподвижного слоя, где размер частиц топлива достигает 100 мм, в кипящем слое сжигается дробленый уголь с d к £ 25 мм.
В слое содержится 5 – 7 %топлива (по объему). Коэффициент теплоотдачи к поверхностям, расположенным в слое, довольно высок и достигает 850 кДж/(м 2 ×ч×К). При сжигании малозольных топлив для увеличения теплоотдачи в слой вводят наполнители в виде инертных зернистых материалов: шлак, песок, доломит. Доломит связывает оксиды серы
(до 90 %), в результате чего снижается вероятность возникновения низкотемпературной коррозии. Более низкий уровень температур газов в кипящем слое способствует уменьшению образования в процессе горения оксидов азота, при выбросе которых в атмосферу загрязняется окружающая среда. Кроме того, исключается шлакование экранов, т. е. налипание на них минеральной части топлива.

Характерной особенностью циркулирующего кипящего слоя является приближение к работе слоя в режиме пневмотранспорта.

Камерный способ сжигания твердого топлива осуществляется преимущественно в мощных котлах. При камерном сжигании размолотое до пылевидного состояния и предварительно подсушенное твердое топливо подают с частью воздуха (первичного) через горелки в топку. Остальную часть воздуха (вторичный) вводят в зону горения чаще всего через те же горелки или через специальные сопла для обеспечения полного сгорания топлива. В топке пылевидное топливо горит во взвешенном состоянии в системе взаимодействующих газовоздушных потоков, перемещающихся в ее объеме. При большем измельчении топлива значительно возрастает площадь реагирующей поверхности, а следовательно, химических реакций горения.

Характеристикой размола твердого топлива является удельная площадь F пл поверхности пыли или суммарная площадь поверхности частиц пыли массой 1 кг (м 2 /кг). Для частиц сферической формы одинакового (монодисперсного) размера величина F пл обратно пропорциональна диаметру пылинок.

В действительности получаемая при размоле пыль имеет полидисперсный состав и сложную форму. Для характеристики качества размола полидисперсной пыли наряду с удельной площадью поверхности пыли используют результаты ее просеивания на ситах различных размеров. По данным просеивания строят зерновую (или помольную) характеристику пыли в виде зависимости остатков на сите от размераячеек сита.Наиболее часто используют показатели остатков на ситах 90 мкм и 200 мкм – R 90 и R 200 . Предварительная подготовка топлива и подогрев воздуха обеспечивают выгорание твердого топлива в топке за относительно небольшой промежуток времени (несколько секунд) нахождения пылевоздушных потоков (факелов) в ее объеме.

Технологические способы организации сжигания характеризуются определенным вводом топлива и воздуха в топку. В большинстве систем пылеприготовления транспортирование топлива в топку осуществляется первичным воздухом, являющимся только частью общего количества воздуха, необходимого для процесса горения. Подача вторичного воздуха в топку и организация взаимодействия его с первичным осуществляются в горелке.

Камерный способ в отличие от слоевого также применяется для сжигания газообразного и жидкого топлива. Газообразное топливо поступает в топочную камеру через горелку, а жидкое – через форсунки в пульверизированном виде.

Слоевые топки

Топка с неподвижным слоем может быть ручной, полумеханической или механической с цепной решеткой. Механической топкой называют слоевое топочное устройство, в котором все операции (подача топлива, удаление шлака) выполняются механизмами. При обслуживании полумеханических топок наряду с механизмами используется ручной труд. Различают топки с прямым (рис. 2.7, а ) и обратным (рис. 2.7, б )ходом решеток 1, приводимых в движение звездочками 2. Расход топлива, подаваемого из бункера 3, регулируется высотой установки шибера 4 (см. рис. 2.7, а )или скоростью движения дозаторов 7(рис. 2.7, б ). В решетках с обратным ходом топливо подается на полотно забрасывателями 8 механического (рис. 2.7, б, в )или пневматического (рис. 2.7, г )типа. Мелкие фракции топлива сгорают во взвешенном состоянии, а крупные – в слое на решетке, под которую подводится воздух 9. Прогрев, воспламенение и горение топлива происходят за счет теплоты, передаваемой излучением от продуктов сгорания. Шлак 6 с помощью шлакоснимателя 5(рис. 2.7, а ) или под действием собственного веса (рис. 2.7, б )поступает в шлаковый бункер.

Структура горящего слоя представлена на рис. 2.7, а. Область III горения кокса после зоны II подогрева поступающего топлива (зона I ) расположена в центральной части решетки. Здесь же находится восстановительная зона IV. Неравномерность степени горения топлива по длине решетки приводит к необходимости секционного подвода воздуха. Большая часть окислителя должна подаваться в зону III , меньшая – в конец зоны реагирования кокса и совсем небольшое количество – в зону II подготовки топлива к сжиганию и зону V выжига шлака. Этому условию отвечает ступенчатое распределение избытка воздуха a 1 по длине решетки. Подача одинакового количества воздуха во все секции могла бы привести к повышенным избыткам воздуха в конце полотна решетки, в результате чего его будет не хватать для горения кокса (кривая a 1) в зоне III .

Основным недостатком топок с цепными решетками являются повышенные потери теплоты от неполноты сгорания топлива. Область применения таких решеток ограничена котлами паропроизводительностью D = 10 кг/с и топливами с выходом летучих = 20 %и приведенной влажностью .

Топки с кипящим слоем отличаются пониженным выбросом таких вредных соединений, как NO х , SO 2 , малой вероятностью шлакования экранов, возможностью (ввиду низкой температуры газов) насыщения объема топки поверхностями нагрева. Недостатками их являются повышенная неполнота сгорания топлива, высокое аэродинамическое сопротивление решетки и слоя,узкий диапазон регулирования паропроизводительности котла.

Рис. 2.7. Схемы работы цепных решеток и типы забрасывателей топлива: а , б – топки с прямым и обратным ходом решеток соответственно; в , г – механический и пневматический забрасыватели;
1 – решетка; 2 – звездочки; 3 – бункер; 4 – шибер; 5 – шлакосниматель; 6 – шлак; 7 – дозатор топлива; 8 – забрасыватель; 9 – подвод воздуха; I – зона свежего топлива; II – зона подогрева топлива;
III – область горения (окисления) кокса; IV – восстановительная зона; V – зона выжига топлива

Слоевой способ сжигания топлива характеризуется относительно невысокими скоростями процесса горения, пониженной его экономичностью и надежностью. Поэтому он не нашел применения в котлах большой производительности.

Способы сжигания твердого топлива.

Основные месторождения ископаемых топлив.

Размещение ископаемых твердых топлив по терри­тории СССР крайне неравномерно. Наиболее развитые в промышленном отношении районы европейской части СССР бедны топливом. Здесь наибольшее значение име­ет Донецкий бассейн, располагающий каменными угля­ми различных марок и антрацитами, но запасы топлива в нем уже не удовлетворяют потребности. Вместе с тем, слабые по мощности пласты, добыча из глубоких шахт делают это топливо дорогим (14-16 руб/т условного топлива). Основная масса ископаемых топлив нахо­дится Центральной и Западной Сибири, Казахстане. Эти топлива дешевле донецких (8-10 руб/т услов­ного топлива - шахтная добыча и 4 руб/т условного топлива - открытая добыча в разрезах). Даже с уче­том стоимости перевозки они оказываются дешевле в европейской части СССР, чем донецкие. Имеются запасы бурых углей в Канско-Ачинском бассейне (Центральная Сибирь). Близкое расположение к по­верхности земли, мощные пласты позволяют развер­нуть открытую добычу этого топлива, что делает его наиболее дешевым топливом СССР (расчетные затра­ты 2,5-3 руб/т условного топлива). Такими же характеристиками обладает Экибастузское месторождение ка­менных углей (Восточный Казахстан). Применительно к канско-ачинским бурым углям разрабатывается так­же план комплексной энерготехнологической их пере­работки с получением ценных химических веществ, буроугольного мазута и коксика - топлива с высокой теплотой сгорания (около 29,3 МДж/кг).

Запасы нефти интенсивно разрабатываются в Тю­менской, области. Добыча нефти и газового конденсата в этом районе составляет около 50% всœей добычи в стране.

Месторождения природного газа имеются во мно­гих районах нашей страны. К наиболее известным от­носятся Шебелинское, Дашавское, Газлийское. В по­следние годы открыты и начали активно эксплуатироваться уникальные месторождения в Туркмении, на Южном Урале и в Тюменской области (Шатлыкское, Оренбургское, Медвежье, Уренгойское, Ямбургское). Запасы газа здесь составляют почти 50% всœех извест­ных запасов природного газа в стране. Открыты запа­ек газа и нефти на территории Коми АССР. Близость этого района к промышленным центрам европейской части СССР заставляет ускоренно развивать добычу топлива в этом трудном по природным и климатиче­ским условиям районе. Данные приведены в ценах 1977 ᴦ.

Сжигание твердого топлива в топочных устройствах может быть организовано различ­ными способами: факельным, циклонным, в кипящем слое (рис. 1.7). Из них наиболее распространенным в современной крупной энергетике является факельный.

В основу классификации способов сжига­ния положена аэродинамическая характери­стика процесса, определяющая условия омывания горящего топлива окислителœем.

Практически неограниченное повышение мощности топочных устройств связано со сжиганием угольной пыли в объеме топочной камеры во взвешенном состоянии. Такой спо­соб сжигания топлива принято называть факельным . При этом мелкие частицы топли­ва легко транспортируются потоком воздуха и образующихся газов в сечении топочной каме­ры. Сгорание топлива происходит в этом слу­чае в объеме топочной камеры за весьма ограниченное время пребывания частиц в топ­ке (1-2 с). Скорость сгорания топлива, определяется поверхностью горения.

При циклонном способе сжигания частицы топлива находятся в интенсивном вихревом движении. В отличие от факель­ного способа сжигания частицы топлива под­вергаются интенсивному обдуванию потоком и быстро сгорают. Циклонный способ позволяет сжигать более грубую угольную пыль и даже дробленку. В циклоне развивается более вы­сокая температура горения, отчего шлаки пе­реходят в жидкое состояние.

В последнее время находит применение новый для энергетики способ сжигания топлива в так называемом кипящем слое (рис. 1.7,в). Находящееся на решетке измельченное топливо с частицами размером 1-6 мм продувается потоком воздуха с такой скоростью, что частицы всплывают над решеткой и совершают воз­вратно-поступательные движения в вертикальной плос­кости. При этом скорость газовоздушного потока в пределах кипящего слоя больше, чем над ними. Бо­лее мелкие и частично выгоревшие частицы поднимают­ся в верхнюю часть кипящего слоя, где скорость потока снижается, и там сгорают. Кипящий слой увеличивает­ся в объеме в 1,5-2 раза, его высота обычно со­ставляет 0,5-1 м.

Тепловоспринимающие поверхности в виде кори­дорного, или шахматного пучка труб размещают внутри объема кипящего слоя и над ним. За счет развитой кондуктивной (контактной) передачи теплоты от рас­каленных частиц к поверхности нагрева удельное тепловосприятие поверхностей в пределах кипящего слоя существенно возрастает. При этом температура газов вгорящем слое остается относительно невысокой (800-1000°С), что исключает перегрев металла и уменьшает образование вредных окислов азота в про­дуктах сгорания. Вместе с тем, такой способ сжигания позволяет вводить в кипящий слой твердые присадки (к примеру, известняк) для нейтрализации образующих­ся окислов серы.

Крупные электростанции потребляют бо­лее 1000 т/ч угля. Даже при доставке топли­ва вагонами большей грузоподъемности (60 - 125 т) на электростанции крайне важно посто­янно разгружать за 1 ч 15-30 вагонов топ­лива, что обеспечивается применением для разгрузки вагонов высокопроизводительных вагоноопрокидывателœей.

Превращение кускового топлива в уголь­ную пыль производится в два этапа. Вначале сырое топливо подвергается дроблению до размера, не превышающего 15 - 25 мм. Затем измельченное топливо - дробленка поступает в бункера сырого угля, пос­ле чего подвергается размолу в углеразмольных мельницах до окончательного продукта - угольной пыли с размером частиц до 500 мкм. Одновременно с размолом топливо подсуши­вается для обеспечения хорошей текучести пыли.

Топочное устройство, или топка, являясь основным элементом котельного агрегата, предназначена для сжигания топлива с целью выделения заключенного в нем тепла и получения продуктов сгорания с возможно большей температурой. В то же время топка служит теплобменным устройством, в котором происходит теплоотдача излучением из зоны горения на более холодные окружающие поверхности нагрева котла, а также устройством для улавливания и удаления некоторой части очаговых остатков при сжигании твердого топлива.

По способу сжигания топлива топочные устройства делятся на слоевые и камерные. В слоевых топках осуществляется сжигание твердого кускового топлива в слое, в камерных топках - газообразного, жидкого и пылевидного топлива во взвешенном состоянии.

Современные котлы обычно используют три основных способа сжигания твердого топлива: слоевой, факельный, вихревой.

Слоевые топки. Топки, в которых производится слоевое сжигание кускового твердого топлива, называются слоевыми. Эта топка состоит из колосниковой решетки, поддерживающей слой кускового топлива, и топочного пространства, в котором сгорают горючие летучие вещества. Каждая топка предназначена для сжигания определенного вида топлива. Конструкции топок разнообразны, и каждая из них соответствует определенному способу сжигания. От размеров и конструкции топки зависят, производительность и экономичность котельной установки.

Слоевые топки для сжигания разнообразных видов твердого топлива делят на внутренние и выносные, с горизонтальными и наклонными колосниковыми решетками.

Топки, расположенные внутри обмуровки котла, называют внутренними, а расположенные за пределами обмуровки и дополнительно пристроенные к котлу,- выносными.

В зависимости от способа подачи топлива и организации обслуживания слоевые топки подразделяют на ручные, полумеханические и механизированные.

Ручными топками называют те, в которых все три операции - подача топлива в топку, его шуровка и удаление шлака (очаговых остатков) из топки - производятся машинистом вручную. Эти топки имеют горизонтальную колосниковую решетку.

Полу механическими топками называют те, в которых механизированы одна или две операции. К ним относят шахтные с наклонными колосниковыми решетками, в которых топливо, загруженное в топку вручную, по мере прогорания нижних слоев перемещается по наклонным колосникам под действием собственной массы.

Механизированными топками называют те, в которых подача топлива в толку, его шуровка и удаление из топки очаговых остатков производятся механическим приводом без ручного вмешательства машиниста. Топливо в топку поступает непрерывным потоком.

Слоевые топки для сжигания твердого топлива делят на три класса:

• топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижнолежащим на ней слоем топлива, к которым относят топку с ручной горизонтальной колосниковой решеткой. На этой решетке можно сжигать все виды твердого топлива, но вследствие ручного обслуживания ее применяют под котлами паропроизводительностью до 1-2 т/ч. Топки с забрасывателями, в которые непрерывно механически загружают свежее топливо и разбрасывают его по поверхности колосниковой решетки, устанавливают под котлами паропроизводительностью до 6,5-10 т/ч;
• топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива, к которым относят топки с шурующей планкой и топки с наклонной колосниковой решеткой. В топках с шурующей планкой топливо перемещается вдоль неподвижной горизонтальной колосниковой решетки специальной планкой особой формы, совершающей возвратно-поступательное движение по колосниковой решетке. Применяют их для сжигания бурых углей под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч; в топках с наклонной колосниковой решеткой свежее топливо, загруженное в топку сверху, по мере сгорания под действием силы тяжести сползает в нижнюю часть топки. Такие топки применяют для сжигания древесных отходов и торфа под котлами паропроизводительностью до 2,5 т/ч; скоростные шахтные топки системы В. В. Померанцева применяют для сжигания кускового торфа под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч для сжигания древесных отходов под котлами паропроизводительностью 20 т/ч;
• топки с движущимися механическпми цепными колосниковыми решетками двух типов: прямого и обратного хода. Цепная решетка прямого хода движется от передней стенки в сторону задней стенки топки. Топливо на колосниковую решетку поступает самотеком. Цепная решетка обратного хода движется от задней к передней стенке топки. Топливо на Колосниковую решетку подается забрасывателем. Топки с цепными колосниковыми решетками применяют для сжигания каменных, бурых углей и антрацитов под котлами паропроизводительностью от 10 до 35 т/ч.

Камерные (факельные) топки. Камерные топки применяют для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. При этом твердое топливо должно быть предварительно размолото в тонкий порошок в специальных пылеприготовительных установках - углеразмольных мельницах, а жидкое топливо - распылено на очень мелкие капли в мазутных форсунках. Газообразное топливо не требует предварительной подготовки.

Факельный способ позволяет сжигать с высокой надежностью и экономичностью самые различные и низкосортные виды топлива. Твердые топлива в пылевидном состоянии сжигают под котлами паропроизводительностью от 35 т/ч и выше, а жидкое и газообразное под котлами любой паропроизводительности.

Камерные (факельные) топки представляют собой прямоугольные камеры призматической формы, выполняемые из огнеупорного кирпича или огнеупорного бетона. Стены топочной камеры изнутри покрывают системой кипятильных труб - топочными водяными экранами. Они представляют собой эффективную поверхность нагрева котла, воспринимающую большое количество тепла, излучаемого факелом, в то же время предохраняют кладку топочной камеры от износа и разрушения под действием высокой температуры факела и расплавленных шлаков.

По способу удаления шлака факельные топки для пылевидного топлива разделяют на два класса: с твердым и жидким шлакоудалением.

Камера топки с твердым шлакоудалением снизу имеет воронкообразную форму, называемую холодной воронкой. Капли шлака, выпадающие из факела, падают в эту воронку, затвердевают вследствие более низкой температуры в воронке, гранулируются в отдельные зерна и через горловину попадают в шлакоприемное устройство. Камеру топки б с жидким шлакоудалением выполняют с горизонтальным или слегка наклонным подом, который в нижней части топочных экранов имеет тепловую изоляцию для поддержания температуры, превышающей температуру плавления золы. Расплавленный шлак, выпавший из факела на под, остается в расплавленном состоянии и вытекает из топки через летку в шлакоприемную ванну, наполненную водой, затвердевает и растрескивается на мелкие частицы.

Топки с жидким шлакоудалением делят на однокамерные и двухкамерные.

В двухкамерных топка разделена на камеру горения топлива и камеру охлаждения продуктов горения. Камеру горения надежно покрывают тепловой изоляцией для создания максимальной температуры с целью надежного получения жидкого шлака. Факельные топки для жидкого и газообразного топлива иногда выполняют с горизонтальным или слегка наклонным подом, который иногда не экранируют. Расположение горелок в топочной камере делают на передней и боковых стенках, а также по углам ее. Горелки бывают прямоточными и завихривающими.

Способ сжигания топлива выбирается в зависимости от вида и рода топлива, а также паропроизводительности котельного агрегата.

Если за определяющий параметр взять скорость движения воздуха w в относительно скорости движения частиц топлива v т, то по этому параметру выделяют четыре технологии сжигания топлива.

1. В плотном фильтрующем слое (w в >> v т).

Применяется только для кускового твердого топлива, которое распределяется на колосниковой решетке. Слой топлива продувается воздухом со скоростью, при которой устойчивость слоя не нарушается и процесс горения имеет кислородную и восстановительную зону.

Видимое тепловое напряжение колосниковой решетки составляет Q R = 1,1…1,8 МВт/м 2 .

2. В кипящем или псевдоожиженным слое (w в > v т).

При увеличении скорости воздуха динамический напор может достигнуть, а затем и превысить гравитационную силу частиц. Устойчивость слоя нарушится и начнется беспорядочное движение частиц, которые будут подниматься над решеткой, а затем совершать возвратно-поступательное движение вверх и вниз. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя, называется критической.

Увеличение ее возможно до скорости витания частиц, когда они выносятся потоком газов из слоя.

Значительная часть воздуха проходит через кипящий слой в виде «пузырей» (газовых объемов), сильно перемешивающих мелкозернистый материал слоя, в результате процесс горения по высоте протекает практически при постоянной температуре, что обеспечивает полноту выгорания топлива.

Для кипящего псевдоожиженного слоя характерна скорость воздуха 0,5…4 м/с, размер частиц топлива 3…10 мм, высота слоя не более 0,3…0,5 м. Тепловое напряжение объема топки Q V = 3,0…3,5 МВт/м 3 .

В кипящий слой вводят негорючий заполнитель: мелкий кварцевый песок, шамотную крошку и др.

Концентрация топлива в слое не превышает 5 %, что позволяет сжигать любое топливо (твердое, жидкое, газообразное, включая горючие отходы). Негорючий наполнитель в кипящем слое может быть активным по отношению к вредным газам, образующимся при горении. Введение наполнителя (известняка, извести или доломита) дает возможность перевести в твердое состояние до 95 % сернистого газа.

3. В потоке воздуха (w в ≈ v т) или факельный прямоточный процесс. Частицы топлива оказываются взвешенными в газовоздушном потоке и начинают перемещаться вместе с ним, сгорая во время движения в пределах топочного объема. Способ отличается слабой интенсивностью, растянутой зоной горения, резкой неизотермичностью; требуется высокая температура среды в зоне воспламенения и тщательная подготовка топлива (распыливание и предварительное перемешивание с воздухом). Тепловое напряжение объема топки Q V ≈ 0,5 МВт/м 3 .

Различают три способа сжигания топлива: слоевой, при котором топливо в слое продувается воздухом и сжигается; факельный, когда топливно-воздушная смесь сгорает в факеле во взвешенном состоянии при перемещении по топочной камере, и вихревой (циклонный), при котором топливно-воздушная смесь циркулирует по обтекаемому контуру за счет центробежных сил. Факельный и вихревой способы могут быть объединены в камерный.

Процесс слоевого сжигания твердого топлива происходит в неподвижном или кипящем слое (псевдосжиженном). В неподвижном слое (рис. 2.6, а ) куски топлива не перемещаются относительно решетки, под которую подается необходимый для горения воздух. В кипящем слое (рис. 2.6, б )частицы твердого топлива под действием скоростного напора воздуха интенсивно перемещаются одна относительно другой. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя и начинается возвратно-поступательное движение частиц над решеткой, называется критической . Кипящий слой существует в границах скоростей от начала псевдосжижения до режима пневмотранспорта.

Рис. 2.6. Схемы сжигания топлива: а – в неподвижном слое; б – в кипящем слое; в – факельный прямоточный процесс; г – вихревой процесс; д – структура неподвижного слоя при горении топлива и изменение a, О 2 , СО , СО 2 и t по толщине слоя: 1 – решетка; 2 – шлак; 3 – горящий кокс;
4– топливо; 5 – надслойное пламя

На рис. 2.6, д показана структура неподвижного слоя. Топливо 4, ссыпаемое на горящий кокс, прогревается. Выделяющиеся летучие сгорают, образуя надслойное пламя 5. Максимальная температура (1300 – 1500 °С) наблюдается в области горения коксовых частиц 3.В слое можно выделить две зоны: окислительную, a > 1; восстановительную, a < 1.
В окислительной зоне продуктами реакции горючего и окислителя являются как СО 2 , так и СО . По мере использования воздуха скорость образования СО 2 замедляется, максимальное ее значение достигается при избытке воздуха a = 1. В восстановительной зоне ввиду недостаточного количества кислорода (a < 1) начинается реакция между СО 2 и горящим коксом (углеродом) с образованием СО . Концентрация СО в продуктах сгорания возрастает, а СО 2 уменьшается. Длина зон в зависимости от среднего размера d к частиц топлива следующая: L 1 = (2 – 4) d к ; L 2 = (4 – 6) d к . На длины зон L 1 и L 2 (в сторону их уменьшения) влияют увеличение содержания летучих горючих ,уменьшение зольности А р , рост температуры воздуха.

Поскольку в зоне 2 кроме СО содержатся Н 2 и СН 4 , появление которых связано с выделением летучих, то для их дожигания часть воздуха подается через дутьевые сопла, расположенные над слоем.

В кипящем слое крупные фракции топлива находятся во взвешенном состоянии. Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным. Низкотемпературное (800 – 900 °С) сжигание топлива достигается при размещении в кипящем слое поверхности нагрева котла. В отличие от неподвижного слоя, где размер частиц топлива достигает 100 мм, в кипящем слое сжигается дробленый уголь с d к £ 25 мм.
В слое содержится 5 – 7 %топлива (по объему). Коэффициент теплоотдачи к поверхностям, расположенным в слое, довольно высок и достигает 850 кДж/(м 2 ×ч×К). При сжигании малозольных топлив для увеличения теплоотдачи в слой вводят наполнители в виде инертных зернистых материалов: шлак, песок, доломит. Доломит связывает оксиды серы
(до 90 %), в результате чего снижается вероятность возникновения низкотемпературной коррозии. Более низкий уровень температур газов в кипящем слое способствует уменьшению образования в процессе горения оксидов азота, при выбросе которых в атмосферу загрязняется окружающая среда. Кроме того, исключается шлакование экранов, т. е. налипание на них минеральной части топлива.

Характерной особенностью циркулирующего кипящего слоя является приближение к работе слоя в режиме пневмотранспорта.

Камерный способ сжигания твердого топлива осуществляется преимущественно в мощных котлах. При камерном сжигании размолотое до пылевидного состояния и предварительно подсушенное твердое топливо подают с частью воздуха (первичного) через горелки в топку. Остальную часть воздуха (вторичный) вводят в зону горения чаще всего через те же горелки или через специальные сопла для обеспечения полного сгорания топлива. В топке пылевидное топливо горит во взвешенном состоянии в системе взаимодействующих газовоздушных потоков, перемещающихся в ее объеме. При большем измельчении топлива значительно возрастает площадь реагирующей поверхности, а следовательно, химических реакций горения.

Характеристикой размола твердого топлива является удельная площадь F пл поверхности пыли или суммарная площадь поверхности частиц пыли массой 1 кг (м 2 /кг). Для частиц сферической формы одинакового (монодисперсного) размера величина F пл обратно пропорциональна диаметру пылинок.

В действительности получаемая при размоле пыль имеет полидисперсный состав и сложную форму. Для характеристики качества размола полидисперсной пыли наряду с удельной площадью поверхности пыли используют результаты ее просеивания на ситах различных размеров. По данным просеивания строят зерновую (или помольную) характеристику пыли в виде зависимости остатков на сите от размераячеек сита.Наиболее часто используют показатели остатков на ситах 90 мкм и 200 мкм – R 90 и R 200 . Предварительная подготовка топлива и подогрев воздуха обеспечивают выгорание твердого топлива в топке за относительно небольшой промежуток времени (несколько секунд) нахождения пылевоздушных потоков (факелов) в ее объеме.

Технологические способы организации сжигания характеризуются определенным вводом топлива и воздуха в топку. В большинстве систем пылеприготовления транспортирование топлива в топку осуществляется первичным воздухом, являющимся только частью общего количества воздуха, необходимого для процесса горения. Подача вторичного воздуха в топку и организация взаимодействия его с первичным осуществляются в горелке.

Камерный способ в отличие от слоевого также применяется для сжигания газообразного и жидкого топлива. Газообразное топливо поступает в топочную камеру через горелку, а жидкое – через форсунки в пульверизированном виде.

Слоевые топки

Топка с неподвижным слоем может быть ручной, полумеханической или механической с цепной решеткой. Механической топкой называют слоевое топочное устройство, в котором все операции (подача топлива, удаление шлака) выполняются механизмами. При обслуживании полумеханических топок наряду с механизмами используется ручной труд. Различают топки с прямым (рис. 2.7, а ) и обратным (рис. 2.7, б )ходом решеток 1, приводимых в движение звездочками 2. Расход топлива, подаваемого из бункера 3, регулируется высотой установки шибера 4 (см. рис. 2.7, а )или скоростью движения дозаторов 7(рис. 2.7, б ). В решетках с обратным ходом топливо подается на полотно забрасывателями 8 механического (рис. 2.7, б, в )или пневматического (рис. 2.7, г )типа. Мелкие фракции топлива сгорают во взвешенном состоянии, а крупные – в слое на решетке, под которую подводится воздух 9. Прогрев, воспламенение и горение топлива происходят за счет теплоты, передаваемой излучением от продуктов сгорания. Шлак 6 с помощью шлакоснимателя 5(рис. 2.7, а ) или под действием собственного веса (рис. 2.7, б )поступает в шлаковый бункер.

Структура горящего слоя представлена на рис. 2.7, а. Область III горения кокса после зоны II подогрева поступающего топлива (зона I ) расположена в центральной части решетки. Здесь же находится восстановительная зона IV. Неравномерность степени горения топлива по длине решетки приводит к необходимости секционного подвода воздуха. Большая часть окислителя должна подаваться в зону III , меньшая – в конец зоны реагирования кокса и совсем небольшое количество – в зону II подготовки топлива к сжиганию и зону V выжига шлака. Этому условию отвечает ступенчатое распределение избытка воздуха a 1 по длине решетки. Подача одинакового количества воздуха во все секции могла бы привести к повышенным избыткам воздуха в конце полотна решетки, в результате чего его будет не хватать для горения кокса (кривая a 1) в зоне III .

Основным недостатком топок с цепными решетками являются повышенные потери теплоты от неполноты сгорания топлива. Область применения таких решеток ограничена котлами паропроизводительностью D = 10 кг/с и топливами с выходом летучих = 20 %и приведенной влажностью .

Топки с кипящим слоем отличаются пониженным выбросом таких вредных соединений, как NO х , SO 2 , малой вероятностью шлакования экранов, возможностью (ввиду низкой температуры газов) насыщения объема топки поверхностями нагрева. Недостатками их являются повышенная неполнота сгорания топлива, высокое аэродинамическое сопротивление решетки и слоя,узкий диапазон регулирования паропроизводительности котла.

Рис. 2.7. Схемы работы цепных решеток и типы забрасывателей топлива: а , б – топки с прямым и обратным ходом решеток соответственно; в , г – механический и пневматический забрасыватели;
1 – решетка; 2 – звездочки; 3 – бункер; 4 – шибер; 5 – шлакосниматель; 6 – шлак; 7 – дозатор топлива; 8 – забрасыватель; 9 – подвод воздуха; I – зона свежего топлива; II – зона подогрева топлива;
III – область горения (окисления) кокса; IV – восстановительная зона; V – зона выжига топлива

Слоевой способ сжигания топлива характеризуется относительно невысокими скоростями процесса горения, пониженной его экономичностью и надежностью. Поэтому он не нашел применения в котлах большой производительности.

Камерные пылеугольные топки

Камерные пылеугольные топки состоят из пылеугольных горелок и топочной камеры.

Топочной камерой называется устройство, предназначенное для завершения процесса горения и изоляции его от внешних условий.

Горелки предназначены для ввода в топку и перемешивания топлива и воздуха, обеспечения устойчивого воспламенения и выгорания смеси. Они должны отвечать следующим требованиям: герметичность соединения с топкой; ремонтопригодность; обеспечивать устойчивое горение на сниженной нагрузке и при использовании резервного топлива (газа или мазута).

Топки для сжигания твердых топлив по способу вывода шлака разделяют на топки с сухим шлакоудалением (рис. 2.8) и топки с жидким шлакоудалением (рис. 2.9).

На рис. 2.8 приведена принципиальная схема факельной (пылеугольной) топки с сухим шлакоудалением, где топливо сгорает во взвешенном состоянии в объеме топочной камеры.

б

а

В топках с сухим шлакоудалением ядро факела располагается несколько ниже топочной камеры, покрытой экранными поверхностями нагрева, воспринимающими излучаемую продуктами сгорания и горящим факелом теплоту и защищающими стены топочной камеры от воздействия высоких температур. Такие топки выполняются однокамерными с холодной воронкой в нижней части. В зоне холодной воронки и в верхней части топки температуры продуктов горения более низкие, чем в ядре факела. Взвешенные в потоке топочных газов частички золы, попадая из ядра факела в области относительно пониженных температур, охлаждаются и затвердевают. Небольшая часть золы (10 – 15 % общей зольности топлива) выпадает в шлаковый бункер, расположенный под холодной воронкой. Остальная зола уносится с продуктами сгорания в газоходы котла.

Топки с жидким шлакоудалением бывают однокамерные и двухкамерные.
В однокамерных низ топочной камеры выполняют в виде горизонтального или наклонного пода. На высоте 4 – 5 м от пода экраны закрывают теплоизоляционным материалом для снижения тепловосприятия, что позволяет поддерживать вблизи пода топки высокие температуры 1500 – 1600 о С, при которых шлак находится в жидком состоянии. Жидкий шлак непрерывно удаляется через летку в шлаковую ванну, заполненную водой.
В двухкамерных топках процессы сгорания топлива и охлаждения продуктов сгорания разделены.

Принципиальные схемы двухкамерных циклонных топок с жидким шлакоудалением показаны на рис. 2.9.Основными составляющими циклонным топок являются вихревая камера горения, представляющая собой цилиндр с тангенциальным сосредоточенным или рассредоточенным вводом топлива и воздуха, и камера охлаждения призматической формы.

Топливо подают в вихревую камеру с первичным воздухом. Топливно-воздушную смесь через завихритель (улитку) вводят в центральную часть камеры. По оси вводится дробленка. Через тангенциально расположенные сопла поступает угольная пыль. Вторичный воздух подают в камеру тангенциально через сопла-щели с большой скоростью (более 100 м/с), обеспечивая движение топливных частиц к стенкам камеры. Образующиеся в циклонной камере вихри способствуют интенсивному образованию топливно-воздушной смеси и горению топлива как в объеме циклона, так и на его стенках. Между камерами сгорания и охлаждения располагается шлакоулавливающий пучок футерованных (закрытых теплоизоляционным материалом) труб, предназначенный для улавливания расплавленных капелек шлака, содержащихся в продуктах сгорания. Неуловленные частички золы затвердевают в камере охлаждения.

Стены камеры горения для утепления выполняются из ошипованных экранов, покрытых огнеупорной обмазкой (рис. 2.10), а стены камеры охлаждения имеют неутепленные гладкотрубные или плавниковые экраны.

В зависимости от принципа организации процесса ввода пылевоздушной смеси пылеугольные горелки можно разделить на три типа: вихревые, прямоточные и плоскофакельные.

Принцип работы вихревой горелки (рис. 2.11, а ) следующий. Потоки первичного I и вторичного II воздуха вводят в топку через кольцевые концентрические каналы, в которых установлены завихрители. Направление крутки потоков одинаковое. Характерной особенностью такого течения является сопоставимость по величине всех трех составляющих скорости: аксиальной (продольной) w а , касательной w t (окружной) и радиальной w r . Наличие касательной составляющей скорости приводит к заметному расширению струи, образующей в пространстве параболическое тело вращения. В центральной внутренней части 1струи образуется зона разрежения, величина которой определяется втулочным отношением т=D о /D a и скоростью потоков на выходе из горелок.

Под действием перепада давлений возникают обратные токи высокотемпературных продуктов сгорания,обеспечивающие стабилизацию воспламенения пылевоздушной смеси. При движении первичный I и вторичный II воздух перемешиваются, и процесс горения распространяется на внешнюю поверхность 2струи.

В зависимости от конструкции завихрителей различают горелки улиточно-лопаточные (рис. 2.12, в ), улиточно-улиточные (рис. 2.12, а ), лопаточно-лопаточные, прямоточно-улиточные (рис. 2.12, б ) и прямоточно-лопаточные. В названии сначала указывают тип завихрителя по первичному воздуху.

Рис. 2.12. Виды вихревых пылеугольных горелок: а – улиточно-улиточная горелка;
б – прямоточно-улиточная горелка ОРГРЭС; в – улиточно-лопаточная горелка ЦКТИ – ТКЗ;
1 – улитка пылевоздушной смеси; 1" – входной патрубок пылевоздушной смеси; 2 – улитка вторичного воздуха; 2" – короб ввода вторичного воздуха; 3 – кольцевой канал для выхода пылевоздушной смеси в топку; 4 – то же для вторичного воздуха; 5 – основная мазутная форсунка;
5" – растопочная мазутная форсунка; 6 – рассекатель на выходе пылевоздушной смеси;
7 – завихривающие лопатки для вторичного воздуха; 8 – подвод третичного воздуха по осевому каналу; 9 – управление положением рассекателя; 10 – завихритель осевого потока воздуха;
11 – обмуровка топки; АБ – граница воспламенения пылевоздушной смеси; В – подсос топочных газов к корню факела

В вихревой горелке подводы первичного I и вторичного II воздуха индивидуальные (рис. 2.11). Подвод вторичного воздуха может быть как верхним, так и нижним, а подвод первичного воздуха – только верхним, что объясняется необходимостью предупреждения отложений пыли в пылепроводе. Каналы первичного и вторичного воздуха выполняются кольцевыми концентрическими.

Раскрытие факела, количество эжектируемых газов, распределение скоростей, дальнобойность в вихревой горелке определяются интенсивностью закручивания потоков, которая оценивается параметром п крутки, зависящим от конструкции завихрителя.

Через вихревые горелки целесообразна подача всех видов топлива, кроме фрезерного торфа. К недостаткам этих горелок следует отнести: повышенное гидравлическое сопротивление, конструктивную сложность, необходимость выполнения выходной части из жаростойких материалов во избежание ее выгорания, повышенную склонность к сепарации топлива, несколько больший (по сравнению с горелками других конструкций) выброс оксидов азота в атмосферу.

В прямоточных горелках в отличие от вихревых потоки первичного I и вторичного II воздуха не закручиваются и имеют однонаправленное (попутное) движение (рис. 2.11, б ). Касательная составляющая скорости отсутствует, а радиальная намного меньше продольной составляющей.

Стабилизация воспламенения осуществляется благодаря эжекции продуктов сгорания 1 по периферии 2струи. Нужная степень перемешивания воздуха достигается соответствующим соотношением скоростей первичного I и вторичного II воздуха.

Сопротивление прямоточных горелок меньше, чем вихревых, они проще в изготовлении, количество образующихся оксидов азота меньше. К недостаткам прямоточных горелок следует отнести более высокую дальнобойность и худшие условия перемешивания смеси по сравнению с вихревыми.

Область применения прямоточных горелок – каменные и бурые угли. Горелки предварительного перемешивания, имеющие камеру смешения,применяют в основном для торфа и бурых углей.

Принцип работы плоскофакельных горелок (рис. 2.13) основан на использовании эффекта соударения двух струй воздуха, направленных под углом друг к другу. Дальнобойность факела плоскофакельных горелок меньше, чем у прямоточных. Между струями вторичного воздуха и горелкой образуется «треугольник», в который подается топливо, воспламеняемое эжектируемыми в него раскаленными продуктами сгорания. В результате раздавливания струй после соударения образуется плоская струя, обладающая большой поверхностью. Вследствие расширения струи в одной плоскости и интенсивной эжекции ею продуктов сгорания снизу и сверху скорость струи резко падает. Наклон факела регулируется изменением соотношения расходов вторичного воздуха, подаваемого в верхние и нижние сопла. Это свойство горелки используется при изменении качества сжигаемого топлива, а также нагрузки котлоагрегата или режима его работы.

Топки для сжигания жидкого топлива (мазута)

В качестве жидкого топлива для промышленных котлов применяется в основном мазут. Для того чтобы сжечь мазут, его необходимо предварительно распылить для улучшения условий испарения, поскольку при сжигании мазута горят газообразные продукты его испарения. Для распыливания и ввода мазута в топку используют специальные устройства, называемые форсунками .

Топка для сжигания мазута состоит из топочной камеры, лучевоспринимающих поверхностей нагрева и форсунок.

Топочная камера и лучевоспринимающие поверхности нагрева при сжигании мазута выполнены так, что низ камеры ограничен горизонтальным или слегка наклонным поддоном. Сама камера выполнена относительно меньших размеров, так как мазут можно сжигать при значительно более высоком тепловом напряжении топочного пространства, чем пылевидное топливо. В котлах небольшой паропроизводительности под топки часто не экранируют, чтобы упростить выполнение экранной системы.